混凝土坝渗透溶蚀病害研究及耐久性分析

混凝土坝渗透溶蚀病害研究及耐久性分析
戈雪良，方坤河，曾力
武汉大学, 水资源与水电工程科学国家重点实验室，430072, geaxl@
摘要：混凝土的溶蚀是混凝土坝的本质性病害之一，严重影响大坝安全运行。

渗透溶蚀破坏的程度，既取决于混凝土坝本身的结构状况，又与环境水的水力梯度有着密切关系，混凝土坝的渗透溶蚀病害研究为工程界所关注。

本文采用普通环境水为渗透介质，对渗透介质进行化学分析，从渗透介质PH值变化，以及CaO与SiO2的溶出特性及溶出稳定性，分析了混凝土坝的渗透溶蚀特性，对渗透溶蚀机理进行了分析。

对于混凝土坝，研究发现渗透液溶解并带走单位体积混凝土坝中的CaO及SiO2量随渗透时间的延长而逐渐减少，最终将趋于一定值，本文根据混凝土累计溶出CaO量进行拟合，得到混凝土坝渗透溶蚀耐久性的计算公式，并结合中国某水电站拦河大坝，对该工程实际进行了耐久性定量分析，对评估混凝土坝因渗透溶蚀破坏而引起的耐久性问题具有一定的参考意义。

关键词：混凝土坝；渗透溶蚀；耐久性
1前言
混凝土的溶蚀破坏是混凝土坝的本质性病害之一，我国的丰满、新安江、陈村、云峰、罗安等大坝都不同程度的存在溶蚀病害。

目前，坝体灌浆及上游面做防渗处理是治理渗透溶蚀破坏的常用措施，然而，这些以水泥基材料为主的治理措施都存在水泥水化产物在一定条件下溶于水，渗透水溶解渗蚀水化产物的现象，对防渗结构产生不利影响。

因此，无论是坝体混凝土或防渗结构物中混凝土的渗透溶蚀病害研究已成为坝工界关注的问题。

本文根据渗透溶蚀过程中渗透介质PH值的变化，CaO与SiO2的溶出特性及溶出稳定性，系统研究了混凝土的渗透溶蚀特性，并结合中国某大坝，分析了混凝土坝渗透溶蚀的耐久性。

2试验
试验原材料为42.5级普通硅酸盐水泥，粉煤灰（常态混凝土采用Ⅰ级灰，碾压混凝土采用Ⅱ级灰），石灰岩人工砂、石，外加剂FDN、FDN－500R和DH9，所有原材料品质均符合规范要求。

混凝土为二级配常态混凝土及三级配碾压混凝土，配合比见表1。

按《水工混凝土试验规程》及《水工碾压混凝土试验规程》将混凝土拌和物成型标准试样，标准养护至规定龄期，在改装后的高压混凝土抗渗仪上进行渗透溶蚀试验。

渗透介质作用于标准试样顶面，经过试样内部从其底面渗出，渗透液直接滴入与外界隔离的收集瓶中，并及时密封、测试。

3混凝土渗透溶蚀特性
3.1 CaO 的渗透溶出及稳定性
水泥水化产物属碱性且均一定程度溶于水，水化产物失去CaO 是渗透介质对水泥水化产物溶蚀的主要表现形式之一，且逐渐转变为低钙硅比的水化产物。

因此，渗透介质从混凝土试样中带出的CaO 数量能反映混凝土的渗透溶蚀情况。

渗透溶蚀过程中CaO 的累计溶出量随渗透历时的变化情况如图１所示。

图１ 混凝土渗透溶蚀CaO 累计溶出量随渗透历时变化
从图可知，对于粉煤灰掺量较少的常态混凝土CT-1，渗透介质从混凝土中溶解出CaO。

而粉煤灰掺量较大的碾压混凝土NY-1，渗透介质不仅不能从中溶解出CaO，相反混凝土能从渗透介质中吸收CaO。

对常态混凝土CT-1CaO 累计溶出量进行拟合，可得到CaO 累计溶出量G(ｔ)与渗透历时ｔ之间的经验公式（１）：
)(t G =96.676.52214+t t (1)
公式（１）相关系数达0.99。

当渗透历时ｔ为无穷大时，CaO 累计溶出量G(ｔ)将达到最大值52214.6mg，因此，对于混凝土掺量较低或无粉煤灰混凝土，单位体积渗透介质中从混凝土中溶解CaO 的量随渗透历时的不断延长而逐渐趋于某一定值。

若按水泥水化产生25%的CH 计算，渗透介质能溶出的CaO 量不足混凝土中CaO 量的5%。

因此，一般的环境水（非软水）对正常使用的混凝土坝中CaO 的渗透溶蚀量是有一定限度的。

3.2 SiO 2的渗透溶出及稳定性
粉煤灰本身含有一部分可以被渗透介质溶解带出的可溶性SiO 2。

另外，混凝土体系中的SiO 2与CaO 反应生成不同钙硅比的水化硅酸钙，对于粉煤灰掺量较大的碾压混凝土NY-1，渗透介质
中SiO 2的含量变化也在一定程度上反映了渗透介质对混凝土的溶蚀情况。

图2列出了在2.8Mpa
水压时渗透介质从三级配碾压混凝土NY-1中溶出SiO 2量随渗透历时的变化情况，
从图２可以看出，由于粉煤灰掺量较大，体系中SiO 2比例偏大，碾压混凝土中的SiO 2逐渐被渗透介质溶蚀。

随着渗透历时的延长，渗透介质溶出SiO 2的速度开始降低。

图2 混凝土渗透溶蚀SiO 2累计溶出量随渗透历时变化
对碾压混凝土NY-1SiO 2累计溶出量进行拟合，可得到SiO 2累计溶出量S(ｔ)与渗透历时ｔ之间的经验公式（2）：
)(t S =10.1739.1955+t t (2)
公式（2）相关系数达0.999。

当渗透历时ｔ为无穷大时，SiO 2累计溶出量S(ｔ)的最大值为1955.39mg，仅相当于试验混凝土中SiO 2总数量的0.81％。

因此，对于粉煤灰掺量大的混凝土，渗透介质溶蚀SiO 2与混凝土吸收渗透介质中CaO 的现象同时存在，但单位体积渗透介质溶出SiO 2的量将随渗透历时的延长而逐渐减少，经过较长时间的渗透溶蚀后，SiO 2的累计溶出量也将趋于一定值。

3.3 渗透介质的PH 值变化
图３反映了不同混凝土渗透介质PH 值随渗透溶蚀历时的变化状态：
图３ 混凝土渗透溶蚀渗透介质PH 值随渗透历时变化
混凝土坝渗透溶蚀的溶出物大部分为偏碱性物质，溶蚀后混凝土体系内部碱性环境发生改变，而渗透介质PH 值的变化可以反映单位体积渗透介质流经混凝土连通孔隙所溶蚀并带出碱的数量。

因此，渗透介质的PH 值是渗透介质对混凝土溶蚀情况的直观表现。

结果表明，渗透溶蚀中渗透介质的PH 值随渗透历时的延长而逐渐降低，说明碱性水化产物不断被溶出。

渗透溶蚀开始阶段，PH 值降低较快，然后逐渐放慢，表明随着溶蚀的进行，渗透介质中CaO 等的浓度逐渐提高，当达到饱和浓度时便有CH 发生结晶行为，并逐渐堵塞渗透毛细孔，使混凝土发生“自愈”现象，使渗透溶蚀速度变缓。

经过较长渗透历时，渗透介质的PH 值仍保持在11以上，且随渗透历时的延长而逐渐趋于稳定。

4 混凝土渗透溶蚀耐久性分析
水泥水化产物中CH 的极限石灰浓度最大为1.3g/L，最容易被渗透介质溶解，以CaO 的形式溶出。

硅酸盐水泥熟料水化产物中CH 的含量约占水泥熟料质量的25%，将CH 换算为CaO，则CaO 约占水泥熟料质量的19%。

有资料表明，当混凝土中CaO 溶出大于10%以后，混凝土的强度有明显的下降；当CaO 溶出量达到25%时，抗压强度下降36％，抗拉强度下降66％；当CaO 溶出量达到33%时，混凝土变得酥松而失去强度。

本文以单位面积混凝土坝中溶出10％CaO 为限量来评价混凝土渗透溶蚀耐久性，得出混凝
土坝在设计使用年限T 内每m 2渗透面积CaO 溶出量极限公式：
M =D ×A ×α×10% (3)
式中 M ——混凝土坝每m 2渗透面积允许CaO 溶出量极值，kg/m 2；
D ——混凝土坝厚度,m；
A ——每方混凝土中硅酸盐水泥熟料重量,kg；
α——水泥水化后CH 含量以CaO 计算占熟料的质量百分数。

在某个实际年限t 内，单位面积混凝土坝通过的渗透介质渗透量公式为：
t Q ＝H ×D t ×t t K t
m (∫∞-dt m ) (4)
式中 t Q ——某个实际年限ｔ内，通过每m 2混凝土坝的渗透介质渗透量；
∞K ——混凝土稳定渗透（t→∞）时的渗透系数，m/s；
m ——因混凝土及龄期等而不同试验常数；
H ——作用于混凝土坝的水头高度,m；
D ——混凝土坝厚度,m。

在某个实际年限t 内，渗透介质实际溶出CaO 量为m(t)，可根据实测资料拟合求得；根据混凝土坝某个实际年限ｔ时的溶出CaO 量为m(t)及t Q 值，可获得渗透介质的CaO 平均浓度。

当达到设计使用年限T 而m(t)≤M 时，混凝土坝使用年限达到设计年限，混凝土渗透溶蚀耐久性好。

5 混凝土渗透溶蚀耐久性计算实例
广西某水电站拦河大坝，前期坝高192ｍ，后期216ｍ，前期混凝土用量270万方，后期为353万方。

该工程试验用混凝土配合比中每方混凝土含42.5级普通硅酸盐水泥270kg，其中硅
酸盐水泥熟料约248 kg，即0.248g/cm 3，用该混凝土浇筑该坝的钢筋混凝土面板，面板厚度
D=15cm，由渗透溶蚀CaO溶出量极限公式计算可知，该面板内混凝土每cm2允许溶出的CaO量为70.68mg/cm2。

根据CaO累计溶出量G(ｔ)与渗透历时ｔ之间的经验公式，当t→∞时，该混凝土的CaO累计溶出量为52214.6 mg，即混凝土每cm2渗透面积CaO的溶出量为38.4mg，远小于允许溶出CaO 极限量。

因此，该混凝土面板能抵抗渗透溶蚀，安全耐久。

假设该坝设计使用年限为100年，则设计使用年限内通过该混凝土每cm2的渗透介质总量可由公式（4）计算，经计算设计使用年限100年内每cm2渗透面积渗透介质累计溶出CaO量为38.29mg，因此渗透介质的CaO平均浓度为2.838×10-3mg/cm3。

假定混凝土渗透系数变化对渗透介质的CaO平均浓度无明显影响，则当320m的水头作用于 1.2m厚的混凝土时，经计算，要求该混凝土的允许平均渗透系数为3.3×10-7 cm/s才能达到安全使用100年的设计年限。

对于粉煤灰掺量较大的混凝土，渗透介质不能从其中溶解出CaO。

因此，在评估这类混凝土坝渗透溶蚀耐久性时，应该考虑是否会因可溶性SiO2的溶出引起溶蚀破坏。

根据每m3碾压混凝土中粉煤灰用量情况，计算出非晶态SiO2含量。

若以溶出非晶态SiO25%作为允许的限量，则可评价该类混凝土的渗透溶蚀耐久性。

6 混凝土渗透溶蚀机理分析
当混凝土承受环境水压产生渗透时，环境水通过混凝土中的连通毛细管向压力低的一侧渗出，渗透溶蚀的驱动力是环境水压力。

渗透溶蚀发生时，渗透介质首先将毛细孔壁的固相氢氧化钙溶解，这部分固相氢氧化钙溶解完后，位于毛细孔周围被水化产物覆盖的游离氢氧化钙将开始溶解，通过水化产物覆盖层向毛细孔液相扩散。

若氢氧化钙扩散系数小于渗透系数，渗透介质中氢氧化钙达不到饱和浓度，毛细孔壁的水化产物将局部被分解，使孔径粗化、孔隙率增大，从而氢氧化钙的扩散系数和混凝土的渗透系数进一步增大，渗透溶蚀现象加剧。

随后渗透介质的氢氧化钙浓度越来越低，水化产物分解由局部向周围发展，混凝土强度开始出现大幅下降。

整个渗透溶蚀过程中，Ca2+浓度分布如图4所示：
图４混凝土渗透溶蚀过程中Ca2+浓度分布历时变化
从图可见，渗透过程中，随着渗透历时延长，Ca2+浓度锋面距上边距的距离越来越大。

说明渗透溶蚀现象加剧，但Ca2+浓度锋面的推进速度越来越慢，最终渗透溶蚀深度也不足6mm，一般的渗透介质对混凝土的渗透溶蚀结果主要表现为混凝土表面部分发生溶蚀破坏，所以对于整个混凝土坝的抗渗透溶蚀性能来讲，表面混凝土的抗渗性能至关重要。

7 结论
（1）混凝土发生渗透溶蚀时，渗透介质从水泥水化产物中溶出的CaO、SiO2的量以及渗透介质PH值的变化情况等均可以较好的表征渗透介质对混凝土的渗透溶蚀程度。

（2）混凝土发生渗透溶蚀时，根据混凝土中胶凝材料组成的不同，混凝土的渗透溶蚀特性也不同。

粉煤灰掺量较小或不掺粉煤灰的常态混凝土CT-1，渗透介质从混凝土中溶解出CaO同时从渗透介质中吸收SiO2；而粉煤灰掺量较大的碾压混凝土NY-1，渗透介质从混凝土中溶出非晶态的SiO2，同时从渗透介质中吸收CaO。

（3）混凝土发生渗透溶蚀时，单位体积渗透介质溶出CaO及SiO2的量将随渗透历时的延长而逐渐减少，且经过较长时间渗透历时后，CaO及SiO2的累计溶出量也将趋于一定值；
(4) 渗透溶蚀过程中，渗透介质的PH值将随渗透历时的延长而逐渐降低，对于粉煤灰掺量较大的碾压混凝土，渗透介质的pH值降低较多，但仍高于11，呈碱性。

（5）根据混凝土渗透溶蚀过程中溶出的CaO及SiO2的数量以及相应的最大允许溶出量，可以定量评估混凝土的渗透溶蚀耐久性，进而评估混凝土坝的渗透溶蚀耐久性。

[参考文献]
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